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建筑膜材的強(qiáng)度性能及連接技術(shù)論文
【關(guān)鍵詞】：膜材; 建筑材料
【摘要】薄膜結(jié)構(gòu)是近幾十年國際上正在研究并逐漸發(fā)展的一種新型空間結(jié)構(gòu)，是一種效率極高的張力集成體系，可以充分發(fā)揮鋼索的強(qiáng)度與張拉整體結(jié)構(gòu)的空間作用，現(xiàn)代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化學(xué)和機(jī)械性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
薄膜結(jié)構(gòu)一經(jīng)問世便以其新穎的造型、巧妙的構(gòu)思、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)得到青睞，并成功地應(yīng)用于體育場館；娛樂商業(yè)中心、展覽館、候機(jī)大廳等大跨度建筑物中，被譽(yù)稱為“21世紀(jì)的建筑”。薄膜結(jié)構(gòu)以建筑織物——膜材為張拉主體，由于材料自身性能的改善，現(xiàn)代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化學(xué)和機(jī)械性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
1. 薄膜材料的材料性能
薄膜材料一般由兩部分組成：基布(編織物)和涂層。材料的強(qiáng)度和彈性性能主要取決于基布，而進(jìn)一步的性能如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對機(jī)械、化學(xué)等因素的不敏感性都必須依靠涂層來加強(qiáng)。
1.1 基布材料
大部分基布的編織方向呈直角，亦可有所偏移，屬于各向異性材料。在編織過程中，經(jīng)線拉得較緊，柔性較緯線差。基布材料主要有聚酰胺、聚酯纖維、玻璃纖維、芳酰胺纖維。
1.1.1 聚酰胺
聚酰胺一般稱為尼龍，其耐磨性、強(qiáng)度較高，能耐低濃度酸，耐強(qiáng)堿，但易吸濕，其電性質(zhì)和機(jī)械性能會受到吸濕的影響而降低。如果溫度較高，可能發(fā)生氧化而變黃、變脆。此外，聚酰胺抗紫外線能力較弱，強(qiáng)烈的陽光照射會降低它的強(qiáng)度。
1.1.2 聚酯纖維
聚酯纖維一般稱為滌綸，與聚酰胺相比，其抗拉強(qiáng)度較低，抗紫外線能力稍強(qiáng)，不易吸濕，因此尺度穩(wěn)定性好，價(jià)格較便宜，應(yīng)用較廣泛，可用于一般性的膜結(jié)構(gòu)建筑物中。
1.1.3 玻璃纖維
玻璃纖維由各種金屬氧化物的硅酸鹽類經(jīng)熔融后抽絲制成。玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高，耐水，耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好。但一般玻璃纖維耐酸性好，耐堿性卻較差。依據(jù)玻璃成分的改變可以制得有各種特殊性能的玻璃纖維，如耐高溫、優(yōu)良電性能、耐酸堿、抗拉強(qiáng)度高和剛性大以及吸收有害射線耐老化等。玻璃纖維也有一些不足之處，如易脆裂，在荷載條件下伸縮性很小，裁剪精確度要求很高，其強(qiáng)度因表面缺陷而削弱，因此在加工使用過程中需采取保護(hù)性措施。由玻璃纖維制成的膜材通常用于永久性建筑中。
1.1.4 芳酰胺纖維
芳酰胺纖維是一種優(yōu)良的有機(jī)纖維，比玻璃纖維質(zhì)量更輕、剛性更大、強(qiáng)度更高，密度小，有良好的電性能和絕熱性能，更能吸收機(jī)械振動和聲音的振動。具有低的蠕變性和高的抗沖擊性，極低的缺口敏感性和優(yōu)良的抗蠕變斷裂性。
1.2 涂層材料
1.2.1 有機(jī)硅樹脂
有機(jī)硅樹脂是高分子量的半有機(jī)聚合物，具有優(yōu)異的耐高溫、耐低溫、憎水、防潮、電絕緣、耐輻射、氧化穩(wěn)定等特性，常用作玻璃纖維的涂層，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高，具有很好的透光性。
1.2.2 聚氨酯樹脂
聚氨酯樹脂是一種較新的聚合物，具有良好的粘合性，涂層光澤度高，耐磨、耐候性好。有良好的耐化學(xué)性、電絕緣性質(zhì)，彈性好，透氣性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高溫性不良且價(jià)格較貴，所以采用不多。
1.2.3 合成橡膠涂層。
合成橡膠(如丁腈橡膠、氯丁橡膠)韌性好，對陽光、臭氧、熱老化穩(wěn)定，且具有突出的耐磨損性、耐化學(xué)性和阻燃性，可達(dá)到半透明狀態(tài)，但由于容易發(fā)黃，故一般用于深色涂層。
1.2.4 聚氯乙烯(PVC)
由于原料豐富、價(jià)格便宜，機(jī)械性能和耐腐蝕性好，加工方便，顏色多樣化且透明度高，所以在歐洲90％以上的合成織物(聚酰胺、聚酯纖維)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂層。
1.2.5 聚四氟乙烯(Teflon)
聚四氟乙烯觸摸起來像蠟一樣光滑，一般采用粉末冶金的加工技術(shù)，依據(jù)加工條件通常呈白色或帶藍(lán)灰花紋璉點(diǎn)。由于其使用溫度范圍很寬(-100～300OC)而且耐老化、耐化學(xué)侵蝕性能優(yōu)于現(xiàn)在的任何其他有機(jī)聚合物，再加上優(yōu)良的電絕緣性能以及低的摩擦系數(shù)，使其成為各工業(yè)部門都十分感興趣的材料。
1.3 常用建筑膜材
1.3.1 涂聚氯乙烯(PVC)的織物
尼龍織物、聚酯織物通常以聚氯乙烯(PVC)為涂層，這種PVC涂層織物的造價(jià)相對較低，抗折性能好，運(yùn)輸方便，顏色多樣化，但抗腐蝕能力較差，易老化，使用壽命短，自潔能力差，可用于一次性投資不高的建筑，當(dāng)薄膜污染破壞后可修補(bǔ)或重新更換。也有以PVC為涂層的玻璃纖維織物，1970年日本大阪國際博覽會美國館首次采用該膜材，取得了很好的效果。通常規(guī)定PVC涂層在織物經(jīng)緯線交點(diǎn)上的厚度不能少于0.2mm，但若涂層太厚，在價(jià)格及膜材重量上都是不經(jīng)濟(jì)的。若PVC色淡透明，則宜加0.5％紫外線吸收劑(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外線吸收劑)；若涂層的顏色較深(可加碳黑)，那么可提高膜材的抗老化能力和耐久性。如果需要，還可在涂層上面加一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧，用云母或石英來防止表面發(fā)粘和污染，防止PVC涂層褪色，這種表面平滑有光澤，可減少污染，有利于排水。
1.3.2 涂聚四氟乙烯的玻璃纖維膜材
由于聚四氟乙烯涂層和玻璃纖維基布的優(yōu)良性能，其膜材是目前建筑薄膜材料中綜合性能最優(yōu)的膜材。它的優(yōu)點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度很高，抗化學(xué)侵蝕性能好，耐溫差，抗老化，自潔性能好，使用壽命長，但抗折能力較差，運(yùn)輸安裝要格外注意，裁剪加工精度要求高，加工困難，價(jià)格昂貴。這種膜材適用于永久性建筑物。
1.3.3 涂橡膠的聚酰胺織物
涂橡膠的聚酰胺膜材造價(jià)低，耐磨損，韌性好，但重量大，且橡膠容易發(fā)黃，影響美觀，一般可以在深色的膜結(jié)構(gòu)中使用。
2. 薄膜材料的強(qiáng)度性能
2.1 膜材的抗拉強(qiáng)度
膜材抗拉試驗(yàn)有單軸抗拉試驗(yàn)和雙軸抗拉試驗(yàn)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中膜材處于雙向受拉應(yīng)力狀態(tài)，所以應(yīng)對薄膜的雙軸張拉試驗(yàn)進(jìn)行充分的研究。
由于膜材織物的織線沒有明顯的可測截面，最好的測定方法是對材料進(jìn)行重量和斷裂試驗(yàn)。編織物的拉力通常按kP／5cm計(jì)。膜材的斷裂強(qiáng)度一般是指膜的單軸應(yīng)力狀態(tài)下的極限拉斷強(qiáng)度，這不符合膜雙向受拉的實(shí)際情況。一般編織物的受拉強(qiáng)度取決于每厘米中織線的數(shù)目、織線的登尼爾(900cm長度的線的重量)以及編織方式。高壓結(jié)構(gòu)中對幾毫米厚的膜材強(qiáng)度需要超過1000kP／5cm；而低壓結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度及延伸性能要求較低，通常0．7—1．2mm的膜材達(dá)到200-600 kP／5cm的強(qiáng)度即可。也可通過爆破試驗(yàn)測定材料的強(qiáng)度和伸長，對周邊夾住的試件用氣壓或液壓充脹至爆破點(diǎn)，爆破壓力通常以kP／cm2表示。例如，某種經(jīng)緯向都具有400kP／5cm拉力的聚酯織物其爆破壓力為20 kP/cm2。
建筑膜材在雙向受拉時(shí)，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系呈明、顯的非線性性質(zhì)，且隨兩軸之間應(yīng)力比的變化而變化。復(fù)雜的非線性材料規(guī)律很不實(shí)用，應(yīng)用近似線性化的材料應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系導(dǎo)致的誤差很小。因?yàn)槟Ｐ椭谱鞯恼`差、裁剪式樣的變形、接縫處剛度的增大以及產(chǎn)生的皺折，常會進(jìn)一步改變應(yīng)力的分布，加之老化和永久荷載所引起的強(qiáng)度降低等，這種種因素都是很難測定的。所以在對膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常僅考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性性質(zhì)，認(rèn)為膜材是彈性材料或正交各向異性的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
2.2 膜材的抗撕裂強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度
可以用中間有小洞或一邊有缺口的試件對膜材進(jìn)行撕裂試驗(yàn)，以取得抗撕裂一延伸性能。粘結(jié)強(qiáng)度(kp／cm)是指由于材料受拉時(shí)涂層與編織物之間的粘結(jié)力。將兩塊5cm寬的試件用較小的壓力疊合，再將其脫開，這種試驗(yàn)被稱為“剝皮試驗(yàn)”。與粗纖維織物比較，光潔纖維織物的涂層機(jī)械附著能力較差。
膜材的撕裂破壞是由初始的小洞、裂縫及缺陷引發(fā)的，應(yīng)保證建筑膜材在正常使用條件下，產(chǎn)生微小的裂縫或缺陷，但不會迅速擴(kuò)展導(dǎo)致更大面積的撕裂破壞。膜的抗撕裂能力與其粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。粘結(jié)強(qiáng)度增加時(shí)，抗撕裂一延伸性能會減小。因?yàn)槟げ牡目顾毫哑茐哪芰χ饕Q于初始裂縫形狀的改變，應(yīng)調(diào)整布絲的受力，而不應(yīng)限制它的滑移，所以粘結(jié)強(qiáng)度不宜過大。此外，抗撕裂一延伸性能還會受到基布材料、編織方法及涂層的影響。
2.3 膜材的強(qiáng)度性能關(guān)系
膜材的抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度與抗撕裂強(qiáng)度之間有很大的相關(guān)性。基布編織緊密的膜材有很高的抗拉強(qiáng)度，但抗撕裂強(qiáng)度相應(yīng)較低，這是由于其很高的彈性模量及基布與涂層間的粘結(jié)強(qiáng)度較大的緣故。高的彈性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘結(jié)作用又阻止了基布和涂層間的滑移，進(jìn)一步限制了膜材的拉伸延展，這種特性使高抗拉強(qiáng)度膜材實(shí)際可用的抗拉強(qiáng)度大大降低，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，膜材的破壞主要是抗撕裂強(qiáng)度不足引起的撕裂破壞。
膜材的疲勞強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度小得多，接縫的強(qiáng)度通常比材料強(qiáng)度小，且由于紫外線的照射會老化、變質(zhì)，因此需對膜材在外部氣候條件下進(jìn)行性能試驗(yàn)，進(jìn)行長期的觀測。從經(jīng)濟(jì)的角度看，膜材的耐久性還是令人滿意的。微小的損傷可以修補(bǔ)，除稍加清洗改善透光度外，不需其他的養(yǎng)護(hù)和維修。
3. 薄膜材料的裁剪和連接技術(shù)
薄膜材料像服裝一樣需裁剪，再縫合、膠接或焊接。在歐洲市場上制成的商業(yè)半成品薄膜或涂層薄膜材料的門幅寬度通常是150cm，也有120cm、140cm、160cm或200cm的膜材。目前對標(biāo)準(zhǔn)形體的膜結(jié)構(gòu)的裁剪式樣，已可以用程序控制標(biāo)繪器來完成，用計(jì)算機(jī)操縱自動樣片切割機(jī)進(jìn)行裁剪，節(jié)省了制圖步驟。但是，對于多種多樣的膜結(jié)構(gòu)，要根據(jù)具體的幾何形狀確定與之相適應(yīng)的裁剪式樣，盡可能地簡單、經(jīng)濟(jì)。有時(shí)幾何形狀不同的單片膜材接合在一起，出現(xiàn)多向薄膜拉力，很容易出現(xiàn)皺折，這時(shí)需制作尺寸精確的模型來估計(jì)薄膜拉力并確定裁剪方案。根據(jù)所采用的連接方式，膜材兩邊需重疊2-4cm。裁剪方式的選擇應(yīng)遵循以下規(guī)則：
（1） 單片形狀規(guī)則、面積大的裁剪式樣比小而不規(guī)則的裁剪式樣好，接縫清晰、美觀；
（2） 接縫長度要盡量短，以減少浪費(fèi)；
（3） 對于無法避免的重疊接縫，應(yīng)盡量使最少的接縫集中于一個(gè)地方；
（4） 由于接縫處的強(qiáng)度比膜材強(qiáng)度低，所以沿主應(yīng)力方向的接縫比同其垂直方向的接縫要經(jīng)濟(jì)；
（5） 沿薄膜表面最陡方向的接縫使雨、雪易于滑落，保持表面的干燥，防止出現(xiàn)由于大的雪載引起陷落。
單片的薄膜需通過一定的方式連接起來，為保證膜結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，接縫的強(qiáng)度應(yīng)與主要膜材的強(qiáng)度接近，接縫處平整，韌性好，彈性盡可能大，保證幾何曲面的美觀。此外，接縫處無破損，在安裝使用過程中無硬褶，表面不能滲水，對于充氣薄膜要保證不漏，接縫要能具有一定的耐化學(xué)侵蝕能力。主要的接縫形式有縫制、粘合、焊接、鉚接和夾鉗。其中前三種是最經(jīng)常使用的接縫形式。縫制和粘合接縫的強(qiáng)度可能因受紫外線和高溫作用而降低，有效的保護(hù)辦法是在接縫處涂一層保護(hù)性的上光涂層或在薄膜上噴鋁霧。焊接是最佳的接合技術(shù)之一，焊接處的強(qiáng)度比膜材的強(qiáng)度還要高，焊接方法有熱氣、熱烙以及高頻熱壓。鉚接是很少采用的方法，而夾鉗一般用于臨時(shí)結(jié)構(gòu)。所有這些接縫都屬于不可分接縫。有時(shí)膜建筑比較龐大，對此可制造分段標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，根據(jù)不同需要進(jìn)行組合。建筑物擴(kuò)建需增加或減少構(gòu)件時(shí)，使用可分接縫來連接。可分接縫形式有拉鏈搭接、加壓搭扣、套環(huán)連接、栓接和聯(lián)系帶連接等。可分接縫也可具有很好的氣密性，但與不可分接縫相比，其造價(jià)昂貴，應(yīng)盡量減少使用。
4. 結(jié)論
薄膜材料屬于柔性極大的高分子化學(xué)建材，它的材料性能、強(qiáng)度性能不同于一般的傳統(tǒng)建筑材料，并需通過特別的裁剪和連接技術(shù)才能應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)。薄膜材料的開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要各系統(tǒng)及部門的共同努力。幾十年來，全世界膜結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，建筑膜材的銷售額每年已達(dá)到30多億美元，我國目前每年大約有10萬m2的膜結(jié)構(gòu)工程，基數(shù)很小，發(fā)展前景廣闊。但在膜材的開發(fā)制作方面我國同國外發(fā)達(dá)國家有很大差距，市場上尚沒有合乎標(biāo)準(zhǔn)可作為永久性材料的建筑織物，很多膜結(jié)構(gòu)建筑要依靠國外進(jìn)口膜材，造成建筑造價(jià)進(jìn)一步提高。對此必須引起重視并深入研究。
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